未來光電設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)詳細(xì)資料研究分析

現(xiàn)代戰(zhàn)爭應(yīng)用的武器系統(tǒng)性能越來越先進(jìn)，戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，干擾和抗干擾、隱身和反隱身等將成為未來戰(zhàn)場環(huán)境的主要特征；未來，對(duì)敵方目標(biāo)信息的獲得就變得越來越困難；如何在保持不被敵方探測到的同時(shí)還能探測到所有潛在威脅，成為我們研究的一個(gè)主要目標(biāo)。高性能光電系統(tǒng)能夠通過它們的高信息量、實(shí)時(shí)特征和機(jī)動(dòng)性，提供關(guān)于敵方目標(biāo)的幾乎所有數(shù)據(jù)，即具有提供重要的態(tài)勢(shì)感知、監(jiān)視、瞄準(zhǔn)和搜跟能力。

作為 “軍隊(duì)的眼睛”的光電系統(tǒng)，不但要求它能保護(hù)人員和設(shè)備，監(jiān)視甚至能毀傷敵人，因此是至關(guān)重要的需求。研發(fā)具有辨認(rèn)、跟蹤和瞄準(zhǔn)敵人的新方法，將老系統(tǒng)用新能力升級(jí)，使光電系統(tǒng)變得更加精準(zhǔn)、輕便小巧、可靠具有十分重要的意義。

光電設(shè)備廣泛應(yīng)用于：各種飛行器（飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)等）、艦艇、車輛等平臺(tái)，用來執(zhí)行各種類型偵察、目標(biāo)捕獲、跟蹤、測距、導(dǎo)航、激光制導(dǎo)武器提供目標(biāo)指示、紅外搜索與跟蹤以及各種光電對(duì)抗等任務(wù)。以下針對(duì)未來高性能光電設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)做簡要介紹。

1 目前國外典型的高性能光電設(shè)備

1.1 高能激光武器

激光武器主要指高功率強(qiáng)激光武器，它是一種利用激光束摧毀飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標(biāo)或使其失效的定向武器，是一種新概念武器；可用于多種軍事任務(wù)，如重要固定目標(biāo)保護(hù)、地面機(jī)動(dòng)部隊(duì)、艦船和飛機(jī)的保護(hù)，以及對(duì)有人機(jī)和無人機(jī)的精確打擊。

隨著全球新的非對(duì)稱威脅（例如無人機(jī)技術(shù)的擴(kuò)散、彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)和小船對(duì)美國和盟軍船只的威脅）不斷增加，部隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)這些威脅時(shí)，激光武器提供了一種摧毀目標(biāo)的替代方案，可連續(xù)快速發(fā)射、減小成本并提升精度。舉例來說，激光武器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠在不引發(fā)爆炸的條件下，熔化或燒毀來襲導(dǎo)彈或其他敵方目標(biāo)，這一優(yōu)點(diǎn)目前特別適用于將***從普通平民中清除出去而不傷害無辜平民，不引發(fā)爆炸的精確打擊是一項(xiàng)非常有用的戰(zhàn)術(shù)選擇。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是大大擴(kuò)展了飛機(jī)的攻擊次數(shù)。一架飛機(jī)只能攜帶六到七枚導(dǎo)彈，而定向能武器系統(tǒng)只需要消耗一加侖航空燃料，就能進(jìn)行幾千次射擊。

激光武器系統(tǒng)比常規(guī)彈藥具有更大優(yōu)勢(shì)。首先，激光以光速射擊，敵方目標(biāo)難以躲避。激光發(fā)射時(shí)保持靜默，肉眼看不見，使武器系統(tǒng)的操作者在作戰(zhàn)過程中能夠很好地隱藏自己。其次，盡管開發(fā)定向能武器的成本較高，但一旦開發(fā)成功，單次射擊的成本將降低為武器產(chǎn)生的能量的成本。再次，這一武器能夠簡化物流鏈，船舶可在海上停留更長時(shí)間，并且降低了地面部隊(duì)進(jìn)行地面和空中補(bǔ)給操作的頻率。從長遠(yuǎn)來看，這也意味著遠(yuǎn)征部隊(duì)的成本降低，因?yàn)榻档土舜鎯?chǔ)和維護(hù)重型危險(xiǎn)爆炸物的需求。

隨著高功率固體激光器技術(shù)的突破和激光功率輸出的提高，特別是目前出現(xiàn)了光纖激光器，高能激光武器系統(tǒng)裝備進(jìn)程明顯加快，世界各國的陸、海、空等多平臺(tái)激光武器系統(tǒng)的研發(fā)明顯加快，可以預(yù)見在不久的將來，激光武器系統(tǒng)將步入戰(zhàn)場，成為未來戰(zhàn)場的新寵和“游戲改變著”。

美國海軍“水面艦激光武器系統(tǒng)”項(xiàng)目，研發(fā)高能激光及集成光學(xué)炫目監(jiān)視系統(tǒng)，研發(fā)的“激光武器系統(tǒng) LaWs SEQ-3” 樣機(jī)已于2014年安裝在龐塞號(hào)兩棲艦上，成功測試了其應(yīng)對(duì)一系列小船和無人機(jī)的能力；并計(jì)劃于2018年晚些時(shí)候安裝到“圣安東尼奧”級(jí)“波特蘭”號(hào)兩棲艦。

圖1 水面艦載激光武器系統(tǒng)

美國空軍正在研發(fā)用于飛機(jī)的激光武器的大功率光纖合束激光器、合束和放大的技術(shù)，研究重點(diǎn)為相干或光譜合束架構(gòu)；以支持對(duì)尺寸、重量和功率（SWaP）有嚴(yán)格要求的未來戰(zhàn)斗機(jī)。通過激光器的進(jìn)一步小型化后，使其可安裝到F-15、F-16、復(fù)仇者無人機(jī)及F-35等噴氣式飛機(jī)上。

圖2 機(jī)載近程激光武器系統(tǒng)（ATL）

美國陸軍利用2KW車載激光武器系統(tǒng)成功摧毀23個(gè)無人機(jī)中的21個(gè)；利用30kw的“雅典娜”地面機(jī)動(dòng)式光纖激光武器系統(tǒng)擊落5架無人機(jī)，未來將以應(yīng)對(duì)無人機(jī)、火箭炮、迫擊炮以及巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)。

圖3 車載激光武器系統(tǒng)

歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)公司的40kw地面防空激光武器系統(tǒng)，激光源采用幾何合成多個(gè)10kw的單模激光器。見圖；

圖4 歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)(MBDA)正在研制的40kw地面防空激光武器系統(tǒng)

德國的天空衛(wèi)士先進(jìn)激光武器，功率50kw，見圖；

圖5 萊茵金屬公司的“天空衛(wèi)士”激光武器系

以色列鐵束（ironbeam）激光武器系統(tǒng)，能夠在4s-5s鐘之內(nèi)摧毀機(jī)載目標(biāo)。見圖；

圖6 “鐵束Iron Beam”激光武器系統(tǒng)

1.2 新型紅外對(duì)抗系統(tǒng)

現(xiàn)代紅外便攜式防控系統(tǒng)性能越來越先進(jìn)，其對(duì)直升機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、裝加車輛及人員威脅的增大，研制新型紅外對(duì)抗系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)需要。

1.2.1 定向紅外對(duì)抗ADIRCM系統(tǒng)

ADIRCM系統(tǒng)是為美陸軍與海軍研發(fā)的新型通用紅外對(duì)抗和攻擊紅外對(duì)抗系統(tǒng)，已海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的AH-1Z和UH-1Y以及海軍的NH-60上。

圖7 定向紅外對(duì)抗ADIRCM組件

激光基紅外對(duì)抗系統(tǒng)是發(fā)展方向，具有多功能能力（如導(dǎo)彈探測、導(dǎo)彈擊毀、敵方火力探測和態(tài)勢(shì)感知）。

1.2.2 AAR-57 CMWS：AAR-57全套設(shè)備包括一個(gè)電子控制單元和外加4到6個(gè)光電導(dǎo)彈傳感器（EOMS），主要對(duì)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈造成的威脅進(jìn)行告警。

圖8 機(jī)載紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈威脅告警系統(tǒng)

1.2.3 AAQ-24 DIRCM是諾斯羅普·格魯曼公司制造，它是一個(gè)集成導(dǎo)彈告警和定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)。

圖9 AAQ-24 DIRCM 模塊

1.2.4大飛機(jī)紅外對(duì)抗（LAIRCM）：是基于激光的紅外對(duì)抗系統(tǒng)，用于防止精確熱尋的導(dǎo)彈對(duì)軍用飛機(jī)的威脅。LAIRCM能自動(dòng)探測導(dǎo)彈發(fā)射，確定它是否是威脅，能啟動(dòng)高光強(qiáng)激光基對(duì)抗系統(tǒng)跟蹤，并將高光強(qiáng)激光能聚焦到來襲導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭上，致盲導(dǎo)彈并迫使它偏離目標(biāo)。

圖10 LAIRCM模塊

圖11 大飛機(jī)上紅外對(duì)抗LAIRCM模塊

1.3 多頻譜探測系統(tǒng)

1.3.1 紅外搜索與跟蹤/前視紅外雙工作模式的被動(dòng)式紅外機(jī)載跟蹤系統(tǒng)；

歐洲的海盜系統(tǒng)：兼具紅外搜索與跟蹤/前視紅外功能，號(hào)稱是西方國家有史以來最精良的系統(tǒng)，安裝在陣風(fēng)式戰(zhàn)斗機(jī)上，可探測全視野70到90公里外的紅外目標(biāo)；傳感器使用兩組工作頻段：7.5到10微米，其對(duì)迎面目標(biāo)有最佳表現(xiàn)；和3到5微米，用于目標(biāo)的搜索、識(shí)別和跟蹤模式；前視紅外工作模式則提供紅外顯示影像。

1.3.2 F-35 EOTS光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

F-35 EOTS是世界上首個(gè)結(jié)合了前視紅外與紅外搜索跟蹤功能的傳感器，由洛馬公司導(dǎo)彈與火控部研制，為F-35戰(zhàn)機(jī)飛行員提供了精確的空空與空地瞄準(zhǔn)能力。EOTS能幫助機(jī)組人員辨認(rèn)關(guān)注區(qū)域、執(zhí)行偵察以及精確發(fā)射激光與GPS制導(dǎo)武器。

系統(tǒng)由前視紅外系統(tǒng)（640x512元銻化銦凝視探測器）、晝用電視攝像機(jī)、激光測距指示器、點(diǎn)跟蹤器等組成，使用最新的傳感器技術(shù)，搭配具有聚焦平面陣列的第三代insb紅外探測器、目標(biāo)識(shí)別激光、以及日間電視攝像機(jī)，EOTS組成圖；

圖12 EOTS組成圖

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：EOTS采用7片藍(lán)寶石玻璃拼接而成的單口徑共光路形式，以散射雷達(dá)信號(hào)，減小對(duì)飛機(jī)的RCS的影響；具有被動(dòng)式探測能力，利用激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和探測，能夠?yàn)榈孛婧秃Ｉ夏繕?biāo)晝夜24小時(shí)精確打擊提供瞄準(zhǔn)，即可以在雷達(dá)靜默下完成對(duì)目標(biāo)甚至是隱身目標(biāo)的搜索和探測，以便最大限度的隱蔽自己；與頭盔顯示器結(jié)合可以把探測信息投影到頭盔上；EOTS安裝在機(jī)頭的下方，具有有限的對(duì)空探測能力，可以提供遠(yuǎn)距離、高精確的識(shí)別、探測。

圖13 F-35戰(zhàn)機(jī)上的EOTS光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

1.3.3 AN/AAQ-37分布孔徑系統(tǒng)，是一種被動(dòng)式探測系統(tǒng)，安裝在F-35上，機(jī)身周圍6處不同位置上各安裝一個(gè)紅外傳感器，對(duì)機(jī)身周圍進(jìn)行成像，使用先進(jìn)的信號(hào)處理算法，對(duì)全機(jī)360度范圍內(nèi)來襲的導(dǎo)彈或逼近的飛機(jī)進(jìn)行紅外探測跟蹤，并將探測畫面顯示于飛行員頭盔顯示器上，故其可讓飛行員具有全空域態(tài)勢(shì)感知外，也能提供導(dǎo)航、導(dǎo)彈告警、以及紅外搜索與跟蹤功能。見下圖

圖14 AN/AAQ-37攝像組件及分布孔徑系統(tǒng)

1.3.4美國海軍機(jī)載平臺(tái)配裝 “雷聲”公司生產(chǎn)的 “光電多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（MTS）” 系列產(chǎn)品, MTS配有光電紅外全動(dòng)態(tài)視頻攝像機(jī)系統(tǒng)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、高空目標(biāo)捕獲、跟蹤及激光指示、激光測距；這些系統(tǒng)為有人和無人機(jī)在晝夜操作中提供情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR），以及探測、識(shí)別和瞄準(zhǔn)性能，同時(shí)，可為精確制導(dǎo)導(dǎo)彈提供監(jiān)視、目標(biāo)捕獲、跟蹤，測距和激光指；另外，其有很好的兼容性，傳感器可以與多波長傳感器、近紅外彩色電視攝像機(jī)、照明器、人眼安全測距儀、圖像融合、光斑跟蹤器和其他航電設(shè)備配套。

圖15 光電多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（MTS）

1.3.5“狙擊手”先進(jìn)瞄準(zhǔn)吊艙Sniper ATP

Sniper ATP是洛克希德。馬丁公司設(shè)計(jì)、開發(fā)并制造。系統(tǒng)集成了高分辨率中波第三代前視紅外、雙波段激光器、CCD電視攝像機(jī)、激光光斑跟蹤儀和激光指示器等探測器，極大的改進(jìn)了目標(biāo)探測、識(shí)別能力；具有探測距離遠(yuǎn)、探測精度高、可提供高分辨率的目標(biāo)圖像，同時(shí)還具有夜間作戰(zhàn)的低海拔導(dǎo)航能力和紅外瞄準(zhǔn)能力；激光光斑跟蹤儀還可以利用另一家飛機(jī)的激光器進(jìn)行瞄準(zhǔn)，并投放精確炸彈；吊艙加裝有數(shù)據(jù)鏈，具有很強(qiáng)的信息傳輸能力，可以將圖像等信息通過數(shù)據(jù)鏈傳給地面部隊(duì)，為其提供戰(zhàn)場環(huán)境信息。內(nèi)置有自動(dòng)檢測功能和診斷能力，便于維護(hù)，可以使維護(hù)人員在20 分鐘內(nèi)完成獨(dú)立部件的替換工作。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

a采用了光學(xué)系統(tǒng)共孔徑設(shè)計(jì)方案，所有傳感器共用一個(gè)孔徑，有效減小了體積；

b.光學(xué)系統(tǒng)采用獨(dú)特的楔形設(shè)計(jì)，避免了球形頭部和空腔因氣流誘導(dǎo)而產(chǎn)生振動(dòng)的可能（特別是在高超音速轉(zhuǎn)臺(tái)下）。

圖16 裝在B-1B機(jī)身上的AAQ-33“狙擊手”吊艙

1.3.6Epsilon 175光電傳感器

Epsilon 175是Octopus ISR 系統(tǒng)公司開發(fā)的小型陀螺穩(wěn)定電光傳感器，見下圖

圖17 Epsilon 175

物理配置：

外形尺寸和重量： 重5.7磅（約2.585千克），尺寸6.8×8.1英寸（172.72mm x 205.74mm）。

傳感器配置：

它包含4個(gè)傳感器，即30倍光學(xué)變焦電光（EO）傳感器、15倍光學(xué)變焦中波紅外傳感器、激光測距儀和激光照明器；其中紅外傳感器采用3至5微米的冷卻凝視陣列，具有18~ 275毫米的15倍變焦鏡頭、24.5×1.5度的垂直視野、640×512像素的分辨率，并以每秒30幀的速度運(yùn)行。

萬向節(jié)穩(wěn)定平臺(tái)：

無人機(jī)傳感器有效載荷能在-40 ~ 50攝氏度溫度范圍內(nèi)工作；提供360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，-90 ~ 30度升降；轉(zhuǎn)換速率每秒120度，功率通常采用35瓦。

技術(shù)特點(diǎn)：無人機(jī)用電光傳感器Epsilon 175減少了傳感器有效載荷的重量，提高了無人機(jī)耐久性，因而支持更長久的任務(wù)或者具有更多空間容量的其它設(shè)備。

應(yīng)用：，可用于邊境管制、軍事目的和各種民用應(yīng)用，因而它是一種理想選擇。

1.3.7 更加智能先進(jìn)的態(tài)勢(shì)感知及探測系統(tǒng)

美國陸軍的新一代坦克將提供改進(jìn)的360度態(tài)勢(shì)感知和敵方炮火探測工具，如：紅外和可見光混合相機(jī)；既可以定位車輛周圍情況，也可以提供所需的高分辨率圖像；另外，還將擁有先進(jìn)的敵方炮火探測系統(tǒng)，目前正在研發(fā)中的多功能非制冷傳感器，減小噪聲，生成高質(zhì)量的圖像。通過不同的先進(jìn)算法來提高探測能力，提高探測概率而使虛警率降到很低。也將具有一定程度的自主性或智能性。雖然它還達(dá)不到自動(dòng)駕駛的程度，但將足夠智能以幫助駕駛員執(zhí)行任務(wù)。

圖18 新一代坦克用的360度態(tài)勢(shì)感知和敵方炮火探測系統(tǒng)

2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

2.1高能激光武器系統(tǒng)主要技術(shù)

a．綜合控制系統(tǒng)：精、粗復(fù)合控制；

b．千瓦至兆瓦功率級(jí)高能激光器（HEL）：2kW- >1MW；

c．快速精確指向/跟：快速轉(zhuǎn)向反射鏡（適用激光能量密度> 20kW/cm2），小運(yùn)動(dòng)范圍（± 8 mrad）內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高頻（> 750 Hz）、高精度控制；

d．穩(wěn)定、低抖動(dòng)跟蹤：萬向架穩(wěn)定及跟蹤控制；

e．高能激光光學(xué)系統(tǒng)：擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)(軸上反射式、離軸反射式，折射式)；

f．光束穩(wěn)定：穩(wěn)固的光學(xué)系統(tǒng)(在10g沖擊下光軸保持在多個(gè)戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)上)；

g．傳感器集成：多波段光路集成；

h．抗電磁干擾/射頻干擾：符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；

2.2 隱身設(shè)計(jì)

從氣動(dòng)效率、平臺(tái)整體一致性和降低可探測性方面考慮，由于產(chǎn)品的安裝平臺(tái)的外形正在變得更加復(fù)雜（包括隱身飛機(jī)、隱身艦艇等），為避免探測，高性能光電設(shè)備應(yīng)具有對(duì)雷達(dá)隱身特性的窗口和保形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性和使用效能。如F-35上內(nèi)置光電系統(tǒng)。內(nèi)置光電單元已成為大多數(shù)下一代戰(zhàn)斗機(jī)和隱形飛機(jī)的默認(rèn)要求。

2.3 傳感器融合技術(shù)

鑒于未來的威脅具有種類更加多樣、速度更快和抗干擾能力更強(qiáng)的特點(diǎn)，光電產(chǎn)品朝雙/多光譜的方向發(fā)展；隨傳感器技術(shù)（如紅外焦平面陣列技術(shù)）以及信息處理軟硬件技術(shù)水平(具體體現(xiàn)在速度和容量兩個(gè)方面)的不斷提高，以及先進(jìn)算法、人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過融合可見光、紅外、多光譜和高光譜傳感器等光電技術(shù)來提高監(jiān)視雷達(dá)的有效性；即通過改進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理，并將其它傳感器與雷達(dá)融合，打破目標(biāo)識(shí)別模糊不清的局面并提高目標(biāo)遠(yuǎn)程識(shí)別的能力，對(duì)平臺(tái)和作戰(zhàn)人員提供全方位的“隨時(shí)隨地”監(jiān)視、偵察、精確瞄準(zhǔn)和電子戰(zhàn)的能力。

2.4 瞄準(zhǔn)線高精度穩(wěn)定技術(shù)

采用精-粗二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)，即平臺(tái)實(shí)現(xiàn)粗級(jí)穩(wěn)定，快反鏡實(shí)現(xiàn)精級(jí)穩(wěn)定，即粗級(jí)的殘余誤差作為精級(jí)快反鏡的輸入，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線的精穩(wěn)，穩(wěn)定精度可達(dá)到幾個(gè)微弧。

圖19 精級(jí)穩(wěn)定的快反鏡組件

2.5 寬光譜共光路技術(shù)

可見光、近紅外、中波紅外等采用共光路技術(shù)和自動(dòng)校軸技術(shù)，保證系統(tǒng)光軸的穩(wěn)定性和制導(dǎo)精度。

圖20多光譜共光路系統(tǒng)

2.6 多功能光學(xué)傳感器（MOS）

高靈敏度焦平面陣列和近/中/長波紅外波段的緊湊型多頻激光系統(tǒng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)多光譜感知及探測系統(tǒng)。

2.7 通用性

隨著向通用性和簡化后勤備件需求方向發(fā)展，陸?？栈怆娫O(shè)備的可更換性也正在成為軍隊(duì)采購這類系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。

2.8 高可靠性及物理特性

光電設(shè)備發(fā)展的主要目標(biāo)永遠(yuǎn)都是持續(xù)減少尺寸和縮小體積、延長壽命、提高可靠性、降低功耗和成本。